Транспортные свойства поверхностных электронов в гелии над структурированной подложкой

Abstract

Предложена и реализована нульмерная электронная система над сверхтекучим гелием в цилиндрических макропорах структурированной подложки из кремния, которая переходит в диэлектрическое состояние при гелиевых температурах. Показано, что в присутствии прижимающего электрического поля глубина потенциальной ямы для электрона над сферически-вогнутой поверхностью гелия существенно зависит от радиуса жидкой поверхности, что позволяет варьировать параметры системы в широких пределах. Измерена проводимость поверхностных электронов над структурированной подложкой. Эксперименты проведены в интервале температур T = 0,5–1,6 К для плотностей электронов от 2,6·10⁶ до 8·10⁸ см⁻² при прижимающих электрических полях вплоть до 10³ В/см. Установлено, что характер переноса заряда над гелием сильно зависит как от концентрации носителей, так и от радиуса кривизны жидкости, заполняющей макропоры подложки. При большом радиусе кривизны и, соответственно, при относительно большой толщине пленки гелия на подложке проводимость электронов при низких температурах носит термоактивационный характер. С уменьшением радиуса кривизны жидкости температурная зависимость проводимости ослабевает; причем при некоторых значениях радиуса на зависимости проводимости от прижимающего потенциала имеется локальный «провал» («dip»-эффект). Для малых радиусов кривизны поверхности гелия проводимость электронной системы слабо зависит от температуры, а «dip»-эффект не наблюдается. Предлагается интерпретация наблюдаемых зависимостей, основанная на предположении об образовании в районе макропор локализованных состояний электронов.

Запропоновано та реалізовано нульвимірну електронну систему над надплинним гелієм у циліндричних макропорах структурованої підкладки із кремнію, яка переходить у діелектричний стан при гелієвих температурах. Показано, що в присутності притискуючого електричного поля, глибина потенційної ями для електрона над сферично-увігнутою поверхнею гелію суттєво залежить від радіуса кривизни рідкої поверхні, що дозволяє варіювати параметри системи в широких межах. Обмірювано провідність поверхневих електронів над структурованою підкладкою. Експерименти проведено в інтервалі температур T = = 0,5–1,6 К для щільностей електронів від 2,6·10⁶до 8·10⁸ см⁻²при притискуючих електричних полях до 103 В/см. Встановлено, що характер переносу заряду над гелієм сильно залежить як від концентрації носіїв, так і від радіуса кривизни рідини, що заповнює макропори підкладки. При великому радіусі кривизни та, відповідно, при відносно великій товщині плівки гелію на підкладці провідність електронів при низьких температурах носить термоактиваційний характер. Зі зменшенням радіуса кривизни рідини температурна залежність провідності стає слабкішою; причому при деяких значеннях радіуса на залежності провідності від притискуючого потенціалу є локальний «провал» («dip»-ефект). Для малих радіусів кривизни поверхні гелію провідність електронної системи слабко залежить від температури, а «dip»-ефект не спостерігається. Пропонується інтерпретація спостережених залежностей, яка заснована на припу- щенні про виникнення у районі макропор локалізованих станів електронів.

A zero-dimensional electronic system is proposed and realized above superfluid helium in cylindrical macropores of a structurized silicon substrate that passes to a dielectric state at helium temperatures. It is shown that in the presence of holding electric field the depth of potential well for an electron above the spherical concave helium surface substantially depends on the curvature radius of liquid surface, that allows to vary the system parameters within wide range. Conductivity of superficial electrons is measured above the structurized substrate. The experiments are carried out in the temperature range T = 0.5 – 1.6 K for electron densities from 6 2.6·10⁶ to 8 10⁸ см⁻² at holding electric fields up to 103 V/cm. It is found that the character of charge transport above helium strongly depends on both the carrier concentration and the curvature radius of liquid, filling the substrate macropores. At a large radius of curvature and, accordingly, at a relatively large thickness of helium film on the substrate, the electron conductivity at low temperature is thermoactivated. With reducing of the liquid curvature radius the temperature dependence of conductivity weakens and, at some values of radius, a local “failure” (“dip”-effect) appears in the dependence of conductivity on holding potential. For small curvature radia of helium surface the temperature dependence of electron becomes poor and the “dip”-effect is not observed. An interpretation of the observed dependences is proposed, which is based on the assumption that there appear localized electron states about the macropores.